不凝氣體對熱虹吸環路工作性能的影響

何 江，林貴平

（北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

熱虹吸環路是一種依靠重力驅動的閉式相變傳熱設備，由蒸發器、冷凝器、蒸氣管線和液體管線構成[1]，見圖 1。通常，在冷凝器末端安裝一個儲液器，以保證蒸發器內供液量充足，加強系統運行的穩定性。相比于其他兩相設備，熱虹吸環路不含運動部件或毛細結構，具備制造和維護成本低、可靠性高等特點，因此被廣泛應用于太陽能集熱、地熱系統、核反應堆冷卻、電子設備散熱等多個領域[2-5]。

存在于系統封閉空間，并且在系統工作溫度范圍內無法冷凝為液相的不凝氣體（Non-condensable gases, NCG）是限制兩相傳熱設備壽命的重要因素。NCG主要來源于系統內殘留的污染物。一方面，這些污染物與管殼及工質發生化學反應，產生NCG。另一方面，氣態污染物（例如空氣）可吸附于毛細結構和管體內表面，或者溶解于工質，在壽命周期內，逐漸從原介質中脫附或析出，形成NCG。

圖1 典型熱虹吸環路工作原理圖

國際上針對NCG影響兩相傳熱系統的研究工作，主要集中在傳統熱管、熱虹吸管和環路熱管。NCG匯集在冷凝區域，不僅減小冷凝段有效面積，降低冷凝器換熱能力，同時提高系統內部的壓力，導致系統工作溫度升高、啟動過程困難[6-10]。然而，已知的研究工作極少涉及NCG對熱虹吸環路性能的影響，相關基礎性研究工作遠遠落后于工程應用。

熱虹吸環路的工作性能主要取決于蒸發器和儲液器內工質的飽和狀態。NCG的存在產生分壓力PNCG，進而造成蒸發器飽和壓力以及飽和溫度的升高，如式(1)所示：

其中，Psat.e和Psat.r分別為蒸發器和儲液器內的飽和蒸氣壓，PG為液體管線內液體重力壓力，Pf為工質的流動阻力。由于工質在系統內的流動是一個復雜的熱力過程，蒸發器位置壓力和溫度的會造成整個系統溫度、壓力的變化，從而影響系統的運行特性。

本文采取人為逐步充裝NCG的方法，通過測量系統特征部位的溫度值，獲得了定量NCG存在時，熱虹吸環路穩態溫度分布規律，分析了NCG對系統總熱導的影響規律。本文采用冷板對冷凝器強制制冷，對比了常溫和低溫兩種工況下，NCG對工作性能的影響效果。

1 實驗系統的建立

實驗系統如圖 2所示。熱虹吸環路管殼材料為不銹鋼，工質為氨。蒸發器由四個并聯的管路構成，每支管路分別與一個鋁制翅片連結，翅片外表面與電阻加熱片貼合。冷凝管線預埋在一塊鋁制的輻射板內部。本實驗采取兩種方式對冷凝管線制冷。其一是冷凝管線將熱量傳導至輻射板，然后通過自然對流和輻射作用將熱量排散至周圍環境，稱為室溫工況。其二是在冷凝管線外表面布置兩根并聯的冷板，冷板側冷卻介質為酒精，可控溫的制冷機可模擬不同溫度的熱沉，稱為低溫工況。整個系統采用海綿絕熱材料包裹，以減少與外環境的換熱。實驗件的結構參數見表 1。本實驗采用28個T型熱電偶測量特征點的溫度變化，測量誤差為±0.5℃，熱電偶的測點分布見圖 2。作為一種惰性氣體，氮氣被選擇作為模擬NCG。

NCG的定量充裝基于理想氣體狀態方程，充裝系統如圖 3所示。根據充裝前后管路內（體積為V0）壓力的變化獲得。本實驗先后兩次向回路充裝4×10-3mol氮氣，獲得了熱虹吸回路內存在4×10-3mol和8×10-3mol的兩種狀態。

2 結果與討論

2.1 NCG對系統溫度分布的影響

圖4和圖5分別為室溫和低溫工況下，系統在無NCG、4×10-3mol和8×10-3mol三種條件下的部件溫度分布。

圖2 實驗系統示意圖

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圖3 NCG充裝系統

圖4 室溫工況穩態溫度分布圖

圖5 低溫工況穩態溫度分布圖

系統在室溫工況、25W熱載荷的部件溫度分布見圖4（a）。當系統內不含NCG時，液體工質在蒸發器管路內受熱產生核態沸騰，氣泡由蒸發器底部向上運動過程中，被進一步加熱，故溫度逐漸升高。系統溫度的最大值出現在四支蒸發器管路的出口處，即TC3、6、9、12。由于工質在各支蒸發器管路內的流量具有隨機性，因此管路彼此間的溫度值存在差異。根據飽和沸騰理論，為保證氣泡能夠在浮力推動下穿過液體表面并最終從自由表面逸出，工質溫度需存在一定的過熱度。因此，蒸發器溫度高于蒸氣管線入口溫度。圖4（b）為室溫工況、105W熱載荷的溫度分布。在大熱載荷條件下，系統穩態溫度整體升高，但分布特性與25W熱載荷相同。實驗結果表明，在25W～105W熱載荷范圍內，系統工作狀態穩定，熱性能符合預期。

系統內含有4×10-3molNCG時，蒸發器溫度如預期升高，進而導致蒸氣管線溫度和冷凝器入口處溫度升高。然而，冷凝器出口溫度卻因為NCG的存在而降低，其原因如下：根據牛頓冷卻公式，單位時間內物體單位表面積與流體交換的熱量，同物體表面溫度與流體溫度之差成正比：

其中，q''為對流熱流密度，h 為換熱系數，T∞和Ts分別為工質溫度和冷凝器表面溫度。本實驗中，熱沉為定溫邊界條件，故冷凝器表面溫度可近似認為不變，于是冷凝器進口處溫度升高將導致此區域內換熱量增大。由于冷凝器與熱沉之間的總換熱量恒定，因此，冷凝器出口區域的換熱量勢必減小，造成冷凝器出口處溫度降低，故儲液器溫度隨之降低。當系統內NCG含量由4×10-3mol增加至8×10-3mol，蒸發器溫度進一步升高，儲液器溫度繼續下降。比較圖4（a）和（b）可知，NCG對系統部件溫度的影響趨勢在25W和105W兩種熱載荷條件下相似。

由式（1）可知，蒸發器飽和溫度Tsat.e受儲液器內工質飽和壓力Psat.r和NCG分壓力PNCG共同影響。雖然NCG的存在一定程度上降低了儲液器溫度，導致Psat.r下降，但是綜合PNCG的作用，依然造成蒸發器飽和溫度的升高。然而，在室溫工況下，NCG對系統部件溫度的影響有限，在兩種加熱功率條件下，即使存在8×10-3molNCG，蒸發器溫升不超過3℃。

圖5給出了系統在低溫工況下的部件溫度分布。結果表明，熱沉溫度降低，系統整體溫度下降，但溫度分布規律與室溫工況類似，運行特性未發生改變。然而，相比于室溫工況，蒸發器溫度的提升明顯：在4×10-3mol條件下，蒸發器溫度提高約5℃，而在8×10-3mol條件下，蒸發器溫度上升約10℃。對于工質氨，其飽和壓力隨溫度的降低而迅速降低。而對于NCG，可看作是理想氣體，假設占據的體積不變，其分壓力隨溫度的降低緩慢減小。換言之，在低溫狀態下，PNCG在儲液器總壓Ptot.r中所占比重增加，因此NCG對于蒸發器飽和溫度的影響更加顯著。

2.2 系統總熱導

工程上，通常用熱導評價傳熱設備性能的優劣。定義熱虹吸環路系統的總熱導

其中，Q 為傳熱量，Te和Tsink分別為蒸發器溫度和熱沉溫度。室溫工況，Tsink= Tamb=21℃，低溫工況，Tsink= Tcooling=?25℃。如圖6所示，隨著熱載荷的升高，兩種工況下，熱導逐漸增加。NCG的引入提高了Te，因此導致熱導降低。根據上文分析，由于低溫下，NCG對于Te的影響更加顯著，因此在低溫工況下，系統熱阻的降低也相對更為明顯。系統熱導的減小，會引起熱性能的下降。在散熱領域，通常發熱設備和熱虹吸環路之間的熱阻為定值，因此蒸發器溫度的升高直接導致被控設備溫度上升，從而增加設備的失效機率，降低設備壽命。在傳熱領域，熱虹吸環路整體工作溫度的升高，會增加了系統與外界的漏熱，導致系統實際傳熱量的下降。

圖6 系統總熱導隨熱載荷的變化關系

3 結論

本文采用實驗手段，研究了不凝氣體對熱虹吸環路工作性能的影響。基于實驗結果和分析，得出以下結論：

（1）相同工況下，NCG的存在提高了蒸發器區域的溫度，并使得儲液器溫度降低。

（2）NCG減小了系統總熱導，從而降低系統的傳熱和散熱能力。

（3）系統工作在低溫工況時，NCG對穩態熱性能的影響更加顯著。

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